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4萬噸精確稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

2015-04-29 05:08:16李淑民宋崢嶸韓小寧張慶營(yíng)
中國(guó)海上油氣 2015年5期
關(guān)鍵詞:組塊立柱液壓

吳 航 李淑民 宋崢嶸 韓小寧 李 林 陶 華 張慶營(yíng)

(1.海洋石油工程(青島)有限公司 山東青島 266520; 2.海洋石油工程股份有限公司 天津 300451)

吳航,李淑民,宋崢嶸,等.4萬噸精確稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].中國(guó)海上油氣,2015,27(5):121-124.

海洋石油的開采正在從淺海走向深海,海上平臺(tái)的建造規(guī)模不斷擴(kuò)大,其復(fù)雜程度、體積和質(zhì)量也在不斷增加。在設(shè)計(jì)時(shí)雖然已經(jīng)計(jì)算出平臺(tái)的質(zhì)量和重心位置,但實(shí)際建造中這些參數(shù)都會(huì)有所變化,為確保海上組塊進(jìn)行浮吊吊裝或浮托法安裝的安全,必須有準(zhǔn)確的平臺(tái)重心位置和重心參數(shù)。目前亞洲最大的樁基式深海油氣平臺(tái)LW3-1 CEP組塊的設(shè)計(jì)質(zhì)量約2.6萬t,而國(guó)內(nèi)最大的稱重系統(tǒng)僅為2萬t,稱重精度約為1.5%,已無法滿足該組塊的稱重及質(zhì)量轉(zhuǎn)移的要求。為滿足迅猛發(fā)展的大型結(jié)構(gòu)稱重要求,設(shè)計(jì)了4萬噸精確稱重系統(tǒng),該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于我國(guó)南海LW3-1 CEP組塊的稱重作業(yè)和重量轉(zhuǎn)移作業(yè),在稱重精度、同步性、稱重點(diǎn)數(shù)、穩(wěn)定性和安全性等方面都處于世界領(lǐng)先水平,刷新了國(guó)內(nèi)大型結(jié)構(gòu)物的稱重能力,使我國(guó)大型結(jié)構(gòu)稱重能力達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

1 4萬噸精確稱重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

4萬噸精確稱重系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)等三大部分組成,其硬件由3臺(tái)泵站與128個(gè)千斤頂及配套液壓裝置組成,128個(gè)稱重傳感器及位移傳感器集成于9個(gè)集裝箱(集裝箱長(zhǎng)6m)內(nèi),可以適應(yīng)長(zhǎng)途運(yùn)輸。

1.1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器(PLC)系統(tǒng)、控制單元模塊、測(cè)量系統(tǒng)等組成。PLC系統(tǒng)建立每個(gè)稱重點(diǎn)的邏輯關(guān)系,包括物理連接、坐標(biāo)系統(tǒng)等信息,控制系統(tǒng)硬件設(shè)備的動(dòng)作信息被采集發(fā)送給PLC系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算,PLC系統(tǒng)再送發(fā)命令控制設(shè)備動(dòng)作,同時(shí)將用戶關(guān)心的重要設(shè)備信息顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上,采用現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)將30個(gè)現(xiàn)場(chǎng)巡檢儀連接在一起,對(duì)所有千斤頂?shù)氖芰Α⑽灰坪筒痪鶆蛐孕盘?hào)進(jìn)行信號(hào)和數(shù)據(jù)流的傳輸和管理,可支持180個(gè)千斤頂同時(shí)工作;稱重全過程(同步上升、調(diào)平、稱重和同步下降)通過PLC系統(tǒng)對(duì)各個(gè)單元的對(duì)應(yīng)電磁閥進(jìn)行具體控制[1],PLC系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)部分能夠?qū)崿F(xiàn)電控系統(tǒng)故障自診斷。控制單元模塊執(zhí)行PLC系統(tǒng)的命令,控制液壓油的開關(guān)及流速。測(cè)量系統(tǒng)的位移傳感器用于監(jiān)測(cè)稱重對(duì)象上升或下降的位移(精度可達(dá)0.2mm),測(cè)量系統(tǒng)將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出,稱重傳感器規(guī)避了傳統(tǒng)的千斤頂內(nèi)置式壓力傳感器受千斤頂液壓不穩(wěn)定的影響。

1.1.2 液壓系統(tǒng)

稱重過程涉及同步上升、保壓、稱重、同步下降等過程,須對(duì)上百個(gè)大噸位的千斤頂進(jìn)行位移同步控制,同時(shí)兼顧壓力的均衡性[2]。稱重過程所有動(dòng)作均由液壓系統(tǒng)完成,除了大功率液壓泵站和400噸級(jí)的液壓千斤頂外,液壓系統(tǒng)還配備高精度調(diào)節(jié)閥、背壓閥和具有壓力補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)裝置,用于解決系統(tǒng)同步性和安全性問題。4萬噸精確稱重系統(tǒng)液壓網(wǎng)絡(luò)群控方案見圖1,其中每組液壓閥箱控制6個(gè)千斤頂??刂葡到y(tǒng)正常工作時(shí),通過電磁閥控制油路;當(dāng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí),采用液壓手動(dòng)閥進(jìn)行系統(tǒng)控制。

圖1 4萬噸精確稱重系統(tǒng)液壓網(wǎng)絡(luò)群控方案Fig.1 Hydraulic network group control programme of 40000-ton accurate weighing system

實(shí)際稱重過程中,大量液壓軟管通過快速接頭進(jìn)行連接,由于現(xiàn)場(chǎng)工況復(fù)雜,可能會(huì)發(fā)生快速接頭脫落和軟管爆裂等異常故障。為此,液壓系統(tǒng)液控單向閥與千斤頂之間采用硬連接執(zhí)行液壓鎖定,當(dāng)進(jìn)出軟管或接頭出現(xiàn)問題時(shí),系統(tǒng)能夠自動(dòng)鎖定,不會(huì)突然下落造成結(jié)構(gòu)和設(shè)備損壞。當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)超壓時(shí),通過系統(tǒng)的溢流閥進(jìn)行壓力溢流控制,保證系統(tǒng)在可控的壓力范圍內(nèi)。

液壓泵站選用斜軸式軸向柱塞泵,具有排量大、泄漏損失小、機(jī)械效率高等優(yōu)點(diǎn)[3]。該液壓泵流量為10 L/min,電機(jī)輸出功率為7.5 kW 380VAC,油箱的設(shè)計(jì)尺寸為2 000 mm(長(zhǎng))×950 mm(寬)×900 mm(高),3套油泵可以獨(dú)立工作。圖2為4萬噸精確稱重系統(tǒng)液壓泵站。

圖2 4萬噸精確稱重系統(tǒng)液壓泵站圖Fig.2 Hydraulic pumping station of 40000-ton accurate weighing system

液壓千斤頂若采用高壓系統(tǒng)(70 MPa)雖然可以減少千斤頂?shù)馁|(zhì)量,但是對(duì)壓力元件和維護(hù)保養(yǎng)等方面均會(huì)帶來一些問題;而采用中壓系統(tǒng)(32 MPa)時(shí)國(guó)內(nèi)的廠家能夠滿足生產(chǎn)要求。最終液壓千斤頂選用的是WIS400型千斤頂,可由系統(tǒng)控制或手動(dòng)控制,其生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),工作壓力32 MPa,最高測(cè)試壓力64 MPa,工作壓力下頂升力為400 t,液壓?jiǎn)蜗蜷y集成于千斤頂之上,千斤頂柱塞內(nèi)孔直徑為280 mm。

1.1.3 傳感器系統(tǒng)

傳感器系統(tǒng)的所有信號(hào)通過PLC網(wǎng)絡(luò)傳入計(jì)算機(jī),在稱重的各個(gè)階段系統(tǒng)對(duì)力信號(hào)、位移信號(hào)進(jìn)行報(bào)警設(shè)定,并進(jìn)行處理和停機(jī)等一系列動(dòng)作。

稱重傳感器將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào),系統(tǒng)的測(cè)量精度在很大程度上取決于傳感器的精度。要提高整個(gè)稱重系統(tǒng)精度,首先要選用高精度、高品質(zhì)的稱重傳感器,即非線性誤差、重復(fù)性誤差、滯后誤差越小越好。在千斤頂上增加重量傳感器可以進(jìn)一步提高測(cè)量精度,同時(shí)避免千斤頂內(nèi)部?jī)?nèi)壁摩擦等因素的影響。4萬噸精確稱重系統(tǒng)采用的稱重傳感器額定載荷是400 t,材質(zhì)為合金鋼,密封等級(jí)IP67[4],綜合誤差(包括變送器)為±0.15%FS(滿量程)。考慮到稱重環(huán)境的影響,該稱重系統(tǒng)不確定度可以控制在0.5%,能適應(yīng)-20~50℃工作環(huán)境溫度及85%的相對(duì)濕度。

位移傳感器采用拉線式位移傳感器,在頂升過程中測(cè)量千斤頂?shù)奈灰浦担刂葡到y(tǒng)實(shí)時(shí)把握各千斤頂?shù)倪\(yùn)動(dòng)狀態(tài),其測(cè)量范圍是0~250 mm,精度不低于0.25%,重復(fù)精度為0.02%FS。位移傳感器采用電磁鐵固定在平臺(tái)底面。

1.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

1)稱重精度優(yōu)于1%FS,高于國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn);重心精度為1%FS,達(dá)到國(guó)際ISO規(guī)范中最高等級(jí)A級(jí)。

2)最大可實(shí)現(xiàn)99個(gè)(國(guó)際上最多為40個(gè))稱重點(diǎn)同步上升、保壓、稱重、同步下降;多點(diǎn)位設(shè)計(jì)能夠滿足TLP平臺(tái)、半潛式平臺(tái)、SPAR平臺(tái)等大型板殼結(jié)構(gòu)的整體稱重要求。

3)最多可控制180個(gè)(國(guó)際上最多為128個(gè))千斤頂同步作業(yè)。

4)傳感器以及變送器的總體精度為0.15%FS。5)工作環(huán)境溫度為-20~50℃,相對(duì)濕度可達(dá)85%,可以適應(yīng)多種地域不同氣候的要求,并且能夠保證測(cè)量精度。

6)系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合規(guī)范ISO19901-5-2003,得到了國(guó)際知名船級(jí)社(如挪威DNV、美國(guó)ABS、法國(guó)BV、CCS等)的認(rèn)可,可以隨時(shí)進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。

2 在LW3-1 CEP組塊的應(yīng)用

2.1 在組塊稱重中的應(yīng)用

LW3-1 CEP組塊有8根立柱,底部有甲板支撐框架,主結(jié)構(gòu)外形尺寸為77.0 m(長(zhǎng))×107.0 m(寬)×25.5 m(高),甲板支撐框架外型尺寸為43.40 m(長(zhǎng))×88.00 m(寬)×10.43 m(高)。LW3-1 CEP組塊和甲板支撐框架結(jié)構(gòu)見圖3。

根據(jù)組塊8根立柱節(jié)點(diǎn)處的支反力,按照1.5以上的安全系數(shù),共布置了120個(gè)千斤頂。8根立柱節(jié)點(diǎn)平面圖見圖4,所布置的千斤頂參數(shù)見表1。

臨時(shí)支撐拆除完畢后對(duì)組塊進(jìn)行試稱重。將組塊頂起20 mm,讀取組塊質(zhì)量數(shù)據(jù),對(duì)稱重系統(tǒng)進(jìn)行檢查,測(cè)量每根立柱的沉降。試稱重共進(jìn)行了3次,正式稱重至少要進(jìn)行3次,每次稱重后都要將稱重傳感器旋轉(zhuǎn)120°。LW3-1 CEP組塊稱重步驟見圖5。

圖3 LW 3-1 CEP組塊和甲板支撐框架Fig.3 LW 3-1 CEP topside and DSF

圖4 LW 3-1CEP組塊8根立柱節(jié)點(diǎn)平面圖Fig.4 Eight Colum ns nodes p lan view of LW 3-1 CEP topside

表1 LW 3-1 CEP組塊稱重所布置的千斤頂參數(shù)Table 1 Lifting jacks'parameters base on LW 3-1 CEP topside weighing

圖5 LW 3-1 CEP組塊稱重步驟Fig.5 LW 3-1 CEP topside weighing procedure

LW3-1 CEP組塊稱重結(jié)果的均值為25 710 t,無論與各次稱重結(jié)果比較或與重控報(bào)告數(shù)值比較,稱重結(jié)果的精度皆優(yōu)于1%,重心精度亦優(yōu)于1%,高于國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)和CLASSA級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 在組塊質(zhì)量轉(zhuǎn)移作業(yè)中的應(yīng)用

LW3-1 CEP組塊在海樣石油工程(青島)有限公司5#滑道采用高位建造的方式,即利用臨時(shí)支撐及質(zhì)量轉(zhuǎn)移裝置將組塊架高510 mm建造,再通過4萬噸精確稱重系統(tǒng)將組塊下放510 mm至甲板支撐框架上完成質(zhì)量轉(zhuǎn)移,然后整體拖拉至“海洋石油229”駁船上。

依據(jù)8根立柱節(jié)點(diǎn)反力的不同,共設(shè)計(jì)了3種質(zhì)量轉(zhuǎn)移裝置,分別布置12、16、20個(gè)千斤頂;千斤頂之上的墊板與8根立柱之下的支撐墊圈的高度均為50 mm,支撐墊圈和千斤頂墊板各13塊(圖6)。通過4萬噸精確稱重系統(tǒng)對(duì)8個(gè)質(zhì)量轉(zhuǎn)移裝置進(jìn)行循環(huán)頂升、下降并分別取出支撐墊圈和千斤頂墊板,直至組塊完全坐落在甲板滑移框架上。期間實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)控了組塊底部水平度和地基沉降,均達(dá)到了精度要求。

圖6 LW 3-1 CEP組塊質(zhì)量轉(zhuǎn)移裝置Fig.6 LW 3-1 CEP topside weight transfer device

3 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的4萬噸精確稱重系統(tǒng)成功完成了我國(guó)南海LW3-1 CEP組塊的稱重和質(zhì)量轉(zhuǎn)移作業(yè),在稱重精度、同步性、稱重點(diǎn)數(shù)、穩(wěn)定性和安全性等方面都處于世界領(lǐng)先水平。該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)最多可控制180個(gè)千斤頂,按照400 t千斤頂統(tǒng)一配置及1.5倍的安全儲(chǔ)備系數(shù)計(jì)算,可實(shí)現(xiàn)的最大稱重能力達(dá)4.8萬t,能夠滿足大型或超大型結(jié)構(gòu)物的整體稱重要求,如半潛式平臺(tái)、TLP平臺(tái)及SPAR平臺(tái)等。

[1]王霞,楊打生,蔣安蒙.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

[2]楊培元,朱福元.液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.Yang Peiyuan,Zhu Fuyuan.Hydraulic system design concise handbook[M].Beijing:China Machine Press,1994.

[3]左健民.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].4版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007.

[4]全國(guó)工業(yè)過程測(cè)量和控制標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB/T 7551—2008稱重傳感器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.SAC/TC124.GB/T 7551—2008 Weighing sensor[S].Beijing:Standards Press of China,2008.

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